バーチャルツイン上での静電放電（ESD）シミュレーション

※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。

ESDの接触放電は通常、実験室でテストされ、特定の場所（例えばコネクターピン）に高電圧プローブを物理的に接続し、試験対象機器（DUT）に放電を行います。さらに、非接触テストでは、DUT上の放電が発生する可能性があるポイントから異なる距離でプローブを配置してテストが行われます。

これらのテストは、可能性のある全ての接続経路および放電経路について繰り返し行う必要があり、ESDテストには時間とコストがかかります。また、ESDテストの限られた出力から故障の根本原因を理解することも困難です。テストの過程で多くのプロトタイプが損傷または破壊されることもあります。

シミュレーションによる仮想テストは、ESDの分析を加速し、開発時間とコストを削減できます。テスト機器とDUTは仮想環境内で作成され、接続され、実際のテストを再現する波形が生成されます。シミュレーション結果の3D視覚化により、デバイスを流れる電流の正確な経路が示され、エンジニアはESDの問題の原因を理解し、設計での軽減策を検討することができます。

ESD 解析および軽減の課題

ESD（静電気放電）は電子機器にとって重大なリスクです。集積回路（IC）のような感度が高く低電圧電子部品は、高電圧のパルスによって簡単に損傷する可能性があります。たとえ壊滅的な損傷が発生しなくても、永続的な損傷が生じ、デバイスの寿命を縮めたり、予期しない動作を引き起こす可能性があります。

ESDは、物体に電荷が蓄積され、それが電子機器を介して地面に放電されることによって発生します。これは、ユーザーが衣服、床、家具との摩擦によって電荷を帯びたり、車両やコンベアベルトのような動く機械から、または他の帯電した物体からの静電誘導によって発生します。

スマートフォンの ESD テスト。充電ポートへの放電による電流の伝播を示しています。

ESDが発生するためには、帯電した物体とデバイスを介した接地面との間に経路が必要です。この経路は直接的な接触か、近接接触であり、この場合、空気のギャップを介してアークが形成されます。乾燥した空気では、電荷がより容易に蓄積され、立ち上がり時間が速く、ピーク振幅が大きくなります。一方、湿度の高い空気中での非接触放電では、アークが長くなり、立ち上がり速度が遅く、ピーク振幅が小さくなります。

条件、接触タイプ、アークタイプには多数の変数があるため、ESDリスクを分析するには、多くの高価なプロトタイプに対して長期にわたる物理テストが必要です。テストは、詳細なプロトタイプが入手可能な製品サイクルの後半に行われなければなりません。もしESDテスト中に問題が見つかれば、その解決にはいくつかの手順が必要で、これが遅延を引き起こし、予定されているリリース日に影響を与える可能性があります。手順には、不具合の原因を理解し、次のプロトタイプに向けて問題を軽減するためのデバイスの再設計および手直しなどが含まれます。

最近のデバイスでのESDテストは特に複雑で、これはシステムオンチップ（SiP）のように、複数のコンポーネントが1つのデバイスに統合されているためです。個別のICに対するESD保護は、システムレベルのESD保護（SEED）と調和させなければなりません。すべてのICにおいて安全な電圧と電流を確保するには、部品配置においてトレードオフが必要であり、そのためには膨大な数のテストが必要になります。

静電放電シミュレーションの利点 シミュレーションは、テストに代わる迅速な手段を提供します。統合モデルおよびシミュレーション（MODSIM）により、CADジオメトリーデータを簡単にDUT（試験対象機器）およびテスト機器セットアップのシミュレーション準備が整った仮想プロトタイプに変換できます。シミュレーション上のプローブの先端で励起を行うと、ESDパルスが生成され、その伝播がデバイスを介して計算されます。3Dフィールドモニターは、デバイスを流れる電流の正確な経路を視覚化し、仮想フィールドプローブはデバイス内部を含む仮想空間の任意の場所に配置できます。

ESD感受性を仮想的に評価することで、最初のプロトタイプを作成する前に問題を特定し、解決することができます。このアプローチにより、エンジニアは最初の設計で正しいものを作成でき、プロトタイプの作成コストを削減し、テスト中に発見された問題によるプロジェクトの遅延リスクを減らすことができます。

SIMULIA ESD シミュレーション ソリューション

CST Studio Suiteは、複雑なコンポーネントやシステムを正確かつ効率的にシミュレーションするための最先端の電磁界ソルバーを備えています。ESDは本質的に過渡的な現象であり、3Dタイムドメインソルバーを使用することで効果的にシミュレーションできます。タイムドメインソルバーは、CADジオメトリが不完全であっても処理できる強力な3Dメッシュ作成機能も提供します。このため，複雑なジオメトリを正確に表現でき、仮想テストを迅速に実行することが可能です。さらに，実験計画（DoE）機能を活用すれば、さまざまなシナリオの自動テストができ、膨大なデータセットを視覚的に比較することができます。

ESD感受性分析のワークフローは、DUT（試験対象機器）のバーチャルツインを構築することから始まります。標準的なCADおよびEDAツールから取得した3DジオメトリやPCBやICレイアウトを仮想環境にインポートし、自動的にクリーンアップとメッシュ生成を行い、シミュレーション準備が整ったモデルに変換します。 CSTのコンポーネントライブラリには、あらかじめ3DモデルのESDジェネレーターやESDパルス励起など、ESD専用にあらかじめ定義されたテンプレートが用意されており、ユーザーがシミュレーションセットアップを定義する際に役立ちます。ESDジェネレーターのモデルは、ISO 10605などの国際規格に準拠するように開発・検証されており、実際のESDテストセットアップを正確にモデル化できます。ユーザーは、ラボで見られるセットアップを再現する標準的なテストの表現を構築することができます。

接触およびエアギャップのESD試験の両方をシミュレーションできます。エアギャップの場合（つまり、空気中での電圧ブレークダウンがアークを引き起こす場合）、まず電磁界シミュレーションを実行して、パシュンの法則を使用して異なる電圧でのアーク経路を計算し、アークの非線形電磁特性を表すSPICEモデル（Paschen’s law）を生成します。このモデルが、ESDパルスのタイムドメインシミュレーションの基盤となり、SPICE回路モデルと3Dシミュレーションモデルを組み合わせた真の過渡的シミュレーションが行われます。

シミュレーションでは、いくつかのESDの指標（KPI）と、デバイス周囲の電磁界や表面電流の3D可視化が行えます。仮想プローブを使用することで、ユーザーはパルスの印可中、構造内の任意のポイントでの電圧を見ることができます。ユーザーは、物理テストで得られるすべてのKPIを生成でき、実際には測定不可能なKPIも生成できます。

結論

静電気放電（ESD）は、エラーやデバイスの故障を引き起こし、デバイスの安全性と信頼性に影響を及ぼします。電子製品を市場に投入すると言う事は、法的なESD規制を遵守し、デバイスがESDの暴露から確実に保護されていることを意味します。

電磁界シミュレーションは、物理的なプロトタイプを作成し、それを破壊する可能性のあるデバイスに対するESDリスクを分析をコストをかけずに使用できます。バーチャルツインは、製品に関するすべての関連データを含んでおり、シミュレーションを使って仮想テストで製品の挙動を正確に再現できます。エンジニアは、Dassault Systèmesのツールを使用した3DEXPERIENCEプラットフォーム上の統合モデリングおよびシミュレーション（MODSIM）アプローチにより、設計データから迅速に製品のバーチャルツインを構築できます。

仮想テストにより、エンジニアは設計の初期段階からESDリスクを理解し、個々のコンポーネントやデバイス全体に対する保護および軽減策を考慮できます。仮想テストは、開発の遅い段階で問題が発覚し、手直しが高額でプロジェクト全体の遅延リスクを引き起こすのを防ぎます。また、製品発売後の不具合リスクやリコールのコストも削減します。

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